KR20220120641A - 신규한 캡슐화 시스템을 갖는 배터리, 특히 박막 배터리 - Google Patents

신규한 캡슐화 시스템을 갖는 배터리, 특히 박막 배터리 Download PDF

Info

Publication number
KR20220120641A
KR20220120641A KR1020227025664A KR20227025664A KR20220120641A KR 20220120641 A KR20220120641 A KR 20220120641A KR 1020227025664 A KR1020227025664 A KR 1020227025664A KR 20227025664 A KR20227025664 A KR 20227025664A KR 20220120641 A KR20220120641 A KR 20220120641A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
battery
anode
cover layer
cathode
Prior art date
Application number
KR1020227025664A
Other languages
English (en)
Inventor
파비앙 갸벵
이얀 꺄이레푸르끄
끌레르 쏘리아노
다비드 그뤼에
Original Assignee
이-뗀
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FR1915544A external-priority patent/FR3105605B1/fr
Priority claimed from FR1915566A external-priority patent/FR3105602B1/fr
Application filed by 이-뗀 filed Critical 이-뗀
Publication of KR20220120641A publication Critical patent/KR20220120641A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/14—Primary casings; Jackets or wrappings for protecting against damage caused by external factors
    • H01M50/141—Primary casings; Jackets or wrappings for protecting against damage caused by external factors for protecting against humidity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0436—Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562—Solid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/124—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/124—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/126—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/172—Arrangements of electric connectors penetrating the casing
    • H01M50/174—Arrangements of electric connectors penetrating the casing adapted for the shape of the cells
    • H01M50/176—Arrangements of electric connectors penetrating the casing adapted for the shape of the cells for prismatic or rectangular cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/521—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the material
    • H01M50/526—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the material having a layered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14—Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/18—Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/40—Printed batteries, e.g. thin film batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Abstract

본 발명은, 신규한 캡슐화 시스템을 포함하는 배터리, 특히 박막 배터리에 관한 것이다.

Description

신규한 캡슐화 시스템을 갖는 배터리, 특히 박막 배터리
본 발명은 배터리, 특히 박막 배터리, 더 구체적으로 이를 보호하는 캡슐화 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 더 구체적으로 이러한 방식으로 캡슐화될 수 있는 리튬 이온 배터리의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 또한 신규한 아키텍쳐, 및 특히 낮은 자가 방출률 및 더 긴 수명을 부여하는 캡슐화를 구비한, 박막 배터리를 제조하기 위한 신규한 방법에 관한 것이다.
배터리의 일부 유형, 특히 박막 배터리의 일부 유형은 산소와 습기가 품질의 저하를 야기하기 때문에 긴 수명을 갖도록 캡슐화될 필요가 있다. 특히, 리튬-이온 배터리는 습기에 매우 민감하다. 시장은 10년 보다 긴 제품 수명을 요구하고; 따라서 캡슐화는 이러한 수명을 보장하도록 제공되어야만 한다.
박막 리튬 이온 배터리는 일반적으로 약 1 ㎛와 약 10 ㎛ 두께 사이의 전극 및 전해질층을 포함하는 다층 스택이다. 배터리는 복수의 단위 셀의 스택을 포함한다. 이들 배터리는 자가 방출에 민감한 것으로 보여진다. 전극들의 위치설정, 특히 다층 배터리들을 위한 전극들의 에지의 근접성, 및 절단부들의 청결도에 따라, 누설 전류가 단부들에서, 일반적으로 크리핑 단락-회로의 형태로 나타날 수 있다. 이는 배터리 주변과 캐소드 및 애노드 연결부들 근처에서 캡슐화 시스템의 사용에도 불구하고 배터리 성능을 감소시킨다.
이들 고체 상태 박막 리튬 이온 배터리는 일반적으로 리튬 금속층을 갖는 애노드를 사용한다. 애노드 물질의 볼륨은 배터리의 충전 및 방전 사이클 동안 현저하게 변화하는 것으로 보여진다. 더 구체적으로, 충전 및 방전 사이클 동안, 리튬 금속의 부분은 애노드의 볼륨에서 감소에 의해 수반되는 캐소드 물질의 구조에 삽입되는 리튬 이온으로 변환된다. 볼륨에서 이러한 사이클 변화는 전극과 전해질층 사이의 기계적 전기적 접촉을 저하시킬 수 있다. 이것은 수명 동안 배터리 성능을 감소시킨다.
애노드 물질의 볼륨에서 사이클 변화는 또한 배터리 셀의 볼륨에서 사이클 변화를 유도한다. 따라서 이는 캡슐화 시스템의 불침투성의 손실(또는 심지어 무결성의 손실)을 야기하는 크랙을 일으키기 쉬운, 캡슐화 시스템 상에 반복 응력을 발생시킨다. 이러한 현상은 여전히 수명 동안 감소된 배터리 성능의 또 다른 원인이다.
더 구체적으로, 리튬-이온 배터리의 활성 물질은 공기 특히, 습기에 매우 민감하다. 이동성 리튬 이온은 LiOH를 형성하는 물의 흔적과 자발적으로 반응하여, 배터리의 캘린더 에이징을 초래한다. 모든 리튬 이온 전도성 전해질 및 삽입 물질은 습기에 대해 반응하지 않는다. 예시를 통해, Li4Ti5O12는 대기 또는 물의 흔적과 접촉할 때 저하하지 않는다. 대조적으로, 그것이 형태 Li4+xTi5O12로, 여기서 x>0인, 리튬으로 채워지자마자, 삽입된 리튬 잉여(x)는 대기에 민감하고, LiOH를 형성하는 물의 흔적과 자발적으로 반응한다. 따라서 반응된 리튬은 전기를 저장하기 위해 더 이상 이용가능하지 않고, 배터리의 용량의 손실을 초래한다.
공기와 물에 대한 리튬 이온 배터리의 활성 물질의 노출을 방지하기 위해 그리고 이러한 유형의 에이징을 방지하기 위해, 배터리는 캡슐화 시스템으로 보호되어야만 한다. 박막 배터리를 위한 다수의 캡슐화 시스템이 문헌에 기재된다.
미국 특허 문헌 제2002/0071989호는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 질화규소(Si3N4), 탄화규소(SiC), 산화탄탈(Ta2O5) 및 비정질 탄소로부터 선택된 유전체 물질의 제 1 층, 유전체 물질의 제 2 층, 및 제 2 층 상에 배치되고 전체 배터리를 피복하는 불침투성 밀폐층의 스택을 포함하는 고체 상태 박막 배터리를 위한 캡슐화 시스템을 기재한다.
미국 특허 문헌 제5561004호는 박막 리튬 이온 배터리를 보호하기 위한 복수의 시스템을 기재한다. 제 1 제안된 시스템은 배터리의 활성 구성요소 상에 증착된 알루미늄 막으로 피복된 파릴렌층을 포함한다. 그러나 공기 및 수증기 확산에 대해 보호하기 위한 이러한 시스템은 약 1 개월 동안만 유효하다. 제 2 제안된 시스템은 파릴렌(500　nm 두께) 및 금속(약 50　nm 두께)의 교호층을 포함한다. 문헌은 배터리가 대기 요소에 의해 저하되는 속도를 감소시키도록 자외선 경화(UV 경화) 에폭시 코팅으로 이들 배터리를 다시 코팅하는 것이 바람직함을 언급한다.
출원인은 또한 국제 특허 문헌 WO 2019/215410에서 각기 애노드 및 캐소드 접촉 부재를 형성하도록 의도된 층의 다양한 예시를 제안했다. 제 1 예시에서, 제 1 박층은 ALD에 의해 증착되고 특히 금속성이다. 또한, 은으로 채워진 에폭시 수지의 제 2 층이 제공된다. 제 2 예시에서, 제 1 층은 그래파이트로 채워진 물질인 반면에, 제 2 층은 나노입자로 채워진 잉크로부터 얻어진 구리 금속을 포함한다.
선행 기술에 따르면, 대개의 리튬 이온 배터리는 배터리 셀 주위로 둘러싸이고 커넥터 탭에서 열 밀폐된 금속화된 폴리머 포일(소위 “파우치”)에 캡슐화된다. 이들 패키지는 상대적으로 플렉시블하고 따라서 배터리의 양의 연결부 및 음의 연결부는 배터리 주위로 패키징을 밀폐하도록 사용되었던 열 밀폐된 폴리머에 임베디드된다. 그러나, 배터리를 열 밀폐하도록 사용된 폴리머가 대기 가스에 대해 상대적으로 침투성이기 때문에, 폴리머 포일 사이의 이러한 용접은 대기 가스에 대해 완전히 불침투성이 아니다. 침투성은 에이징을 가속화하는 온도와 함께 증가하는 것으로 보여진다.
그러나, 대기에 노출된 이들 용접의 표면 영역은 매우 작게 남겨지고, 패키징의 나머지는 이들 폴리머 포일 사이에 샌드위치된 알루미늄 포일에 의해 형성된다. 일반적으로, 두 개의 알루미늄 포일은 이들 알루미늄 포일의 각각에서 결함을 구성하는 홀의 존재의 효과를 최소화하도록 조합된다. 정렬된 스트립의 각각 상의 두 개의 결함의 가능성은 크게 감소된다.
이들 패키징 기술은 정상 사용 조건 하에서, 10 x 20　cm2 표면 영역을 갖는 10　Ah 배터리에 대해 약 10년 내지 15년의 캘린더 수명을 보장한다. 배터리가 고온에 노출되면, 이러한 수명은 다수의 어플리케이션에 대해 불충분한 5년 미만으로 감소될 수 있다. 유사한 기술이 커패시터 및 활성 구성요소와 같은 다른 전자 구성요소에 대해 사용될 수 있다.
결과적으로, 박막 배터리를 캡슐화하기 위한 시스템 및 방법, 및 공기, 습기, 및 온도의 효과로부터 구성요소를 보호하는 다른 전자 구성요소에 대한 필요가 있다. 캡슐화 시스템은 불침투성이고 기밀하게 밀폐되어야만 하고, 구성요소 또는 배터리를 완벽하게 감싸고 피복해야만 하고, 또한 임의의 크리핑 단락 회로를 방지하기 위해, 대향하는 극성의 전극의 에지가 갈바니 전기에 의해 분리되는 것을 허용해야만 한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 상술한 단점을 적어도 부분적으로 극복하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 매우 긴 수명과 낮은 자체 방전율을 갖는 리튬-이온 배터리를 제안하는 것이다.
본 발명에 따른 캡슐화 시스템은 유리하게 강성 유형이다. 배터리 셀은 소재의 최초 선택 때문에 강성이고 치수 안정적이다. 결과적으로, 본 발명에 따라 얻어진 캡슐화 시스템은 효과적이다.
본 발명은 진공에 증착될 수 있고 진공에 유리하게 증착되는 캡슐화 시스템을 생성하는 것을 제공한다.
본 발명에 따른 배터리는 폴리머를 포함하지 않지만; 이온성 액체를 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 배터리는 고체 상태 또는 “준 고체 상태(quasi-solid state)” 유형 중 어느 하나이고, 그러한 경우에 배터리는 나노컨파인드 이온성 액체 기반 전해질을 포함한다. 전기화학적 관점에서, 이러한 나노컨파인드 액체 전해질은 그로써 전도되는 양이온에 양호한 이동성을 제공하는 한에는 액체처럼 거동한다. 구조적 관점에서, 이러한 나노컨파인드 액체 전해질은, 나노컨파인드로 남고 진공에서 및/또는 고온에서 처리될 때조차 더 이상 옥(prison)을 빠져나갈 수 없기 때문에 액체처럼 거동하지 않는다.
따라서 나노컨파인드 이온성 액체 기반 전해질을 포함하는 본 발명에 따른 배터리는 캡슐화를 위한 진공 및/또는 진공 및 고온 처리를 겪을 수 있다. 캡슐화 전에 함침을 수행하도록, 층의 에지는 절단에 의해 노출될 수 있고; 함침 후에, 이들 에지는 전기 접촉을 구성함으로써 닫힌다. 본 발명에 따른 방법은 또한 메조포러스 표면을 피복하기에 매우 적합하다.
위의 목적들 중 적어도 하나는 이하에서 설명되는 바와 같은 본 발명에 따른 대상들 중 적어도 하나에 의해 달성된다.
본 발명은, 첫 번째 대상으로서, 배터리를 제공하며, 이는:
- 적어도 하나의 단위 셀을 포함하고, 상기 단위 셀은 애노드 집전 기판, 애노드 층, 전해질 물질 또는 전해질로 함침된 세퍼레이터의 층, 캐소드 층, 및 캐소드 집전 기판을 연속적으로 포함하며,
상기 배터리가 복수의 단위 셀을 포함하는 경우에, 상기 층들에 대해 지정된 순서에 따라 두 번째 단위 셀은 첫 번째 단위 셀의 상단에 배치되며,
- 상기 단위 셀 또는 단위 셀들의 외부 주변의 적어도 일 부분을 피복하는 캡슐화 시스템을 포함하고, 상기 캡슐화 시스템은:
ㆍ 선택적으로, 배터리 상에 증착된, 바람직하게는 파릴렌, 파릴렌 F, 폴리이미드, 에폭시 수지, 실리콘, 폴리아미드, 졸겔 실리카, 유기 실리카 및/또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 제 1 커버 층,
ㆍ 선택적으로, 원자층 증착에 의해, 상기 배터리 또는 제 1 커버 층에 증착되는, 전기적 절연 소재로 구성되는 제 2 커버 층을 포함하며,
- 적어도 상기 단위 셀과 외부 전도성 요소 사이의 전기 접촉을 형성할 수 있는 적어도 하나의 애노드 접촉 부재를 포함하고, 상기 배터리는 적어도 하나의 애노드 연결 구역을 규정하는 접촉 표면을 포함하며, 및
- 외부 전도성 요소와의 전기 접촉을 형성할 수 있는 적어도 하나의 캐소드 접촉 부재를 포함하고, 상기 배터리는 적어도 하나의 캐소드 연결 구역을 규정하는 제 2 접촉 표면을 포함하며,
상기 배터리는, 상기 캡슐화 시스템이:
10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)을 가진 불침투성 제 3 커버 층을 포함하고, 상기 제 3 커버 층은 세라믹 재료 및/또는 저융점 유리, 바람직하게는 600℃ 미만의 융점을 가진 유리로 형성되며, 상기 층은 상기 배터리 또는 제 1 커버 층의 외부 주변에 증착되며,
상기 제 2 커버 층이 존재할 때, 상기 제 2 커버 층 및 제 3 커버 층의 연속물이 z회 반복될 수 있고, 여기서 z ≥ 1이며, 적어도 제 3 커버 층의 외부 주변에 증착되며, 상기 캡슐화 시스템의 마지막 층은 10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)를 가지고 세라믹 재료 및/또는 저융점 유리로 형성되는 상기 불침투성 커버 층인, 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 배터리의 다른 특징들은 독립적으로 또는 기술적으로 호환가능한 특징에 따라 채용될 수 있다:
- 바람직하게는 10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)을 가지는 상기 불침투성 제 3 커버 층은, 1　㎛ 내지 50　㎛, 바람직하게는 1　㎛ 내지 10　㎛, 더 바람직하게는 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 사이의 두께를 가진다.
- 상기 애노드 접촉 부재 및 캐소드 접촉 부재 각각은:
ㆍ 적어도 애노드 연결 구역 및 적어도 캐소드 연결 구역 상에 증착된 제 1 전기 연결층으로서, 전기적 전도성 입자, 바람직하게는 폴리머 수지로 채워진 물질 및/또는 졸겔 방법에 의해 얻어지고 전기적 전도성 입자, 더 바람직하게는 그래파이트로 채워진 폴리머 수지로 채워진 물질을 포함하는, 상기 제 1 전기 연결층,
ㆍ 전기적 전도성 입자로 채워진 물질의 제 1 층 상에 배치되는 금속 포일을 포함하는 제 2 전기 연결층을 포함한다.
- 금속 포일은 독립된 유형이고, 금속 포일은 유리하게는 제 1 전기 연결층에 적용된다.
- 금속 포일은 압연 또는 전기 도금에 의해 생성된다.
- 금속 포일의 두께는 5 내지 200 마이크로미터 사이에 포함되고, 이러한 금속 포일은 특히 다음의 소재 중 하나로부터 구성될 수 있다: 니켈, 스테인레스 강, 구리, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 탄탈륨, 티타늄, 알루미늄, 크롬 및 이들을 포함하는 합금.
- 애노드 및 캐소드 접촉 부재의 각각은 제 2 전기 연결층 상에 배치된 전도성 잉크를 포함하는 제 3 층을 포함한다.
- 상기 배터리는:
ㆍ 단위 셀의 단부면 부근에 제공되고, 적어도 부분적으로 전도성 물질로 형성되는, 전기 연결 지지체,
ㆍ 상기 연결 지지체의 각각의 전기 연결 경로를 형성하는 두 개의 떨어진 영역을 서로 절연되게 하는 전기 절연 수단을 더 포함하고,
ㆍ 상기 애노드 접촉 부재는 각 단위 셀의 제 1 측방향 면이 제 1 전기 연결 경로에 전기적으로 연결되게 하고, 상기 캐소드 접촉 부재는 각 단위 셀의 제 2 측방향 면이 제 2 전기 연결 경로에 전기적으로 연결되게 한다.
- 상기 전기 연결 지지체는 단일층 유형, 특히 금속 그리드 또는 실리콘 중간층이다.
- 상기 전기 연결 지지체는 하나가 다른 하나 아래에 배치된 복수의 층들을 포함하고, 이러한 지지체는 특히 인쇄 회로 기판 유형이다.
- 상기 불침투성 커버 층은, 특히 애노드 및 캐소드 접촉 부재들을 피복하지 않는 기본 불침투성 커버 층, 및 특히 상기 접촉 부재들 전체 또는 일부를 피복하는, 및 특히 상기 전기 연결 지지체를 적어도 부분적으로 피복하는, 추가 불침투성 커버 층을 포함한다.
상기 배터리는 리튬-이온 배터리이다.
이는 고체 상태 리튬-이온 배터리이다.
이는 1 mAh 이하의 용량을 가지도록 설계되고 치수화된다.
이는 1 mAh 초과의 용량을 가지도록 설계되고 치수화된다.
본 발명은 또한 상기 배터리를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 배터리의 제조 방법은:
a) 애노드 층으로 코팅되고, 선택적으로 전해질 물질 또는 전해질로 함침된 세퍼레이터의 층으로 코팅되어, 이하 애노드 포일로 언급되는, 적어도 하나의 애노드 집전 기판 포일을 제공하는 단계;
b) 캐소드 층으로 코팅되고, 선택적으로 전해질 물질 또는 전해질로 함침된 세퍼레이터의 층으로 코팅되어, 이하 캐소드 포일로 언급되는, 적어도 하나의 캐소드 집전 기판 포일을 제공하는 단계;
c) 적어도 하나의 애노드 집전 기판, 적어도 하나의 애노드 층, 전해질 물질 또는 전해질로 함침된 세퍼레이터의 적어도 하나의 층, 적어도 하나의 캐소드 층, 및 적어도 하나의 캐소드 집전 기판을 연속적으로 얻도록 적어도 하나의 애노드 포일 및 적어도 하나의 캐소드 포일을 교호시킨 스택(I)을 생성하는 단계,
d) 압밀된 스택을 형성하도록, 단계 c)에서 얻어진 교호하는 포일의 스택을 열 처리하고 및/또는 기계적으로 압축하는 단계,
e) 상기 압밀된 스택을 캡슐화하는 단계를 실행하는 단계로서:
- 선택적으로, 상기 배터리 상에, 바람직하게는 파릴렌, 파릴렌 F, 폴리이미드, 에폭시 수지, 실리콘, 폴리아미드, 졸겔 실리카, 유기 실리카 및/또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 적어도 하나의 제 1 커버 층을 증착하고,
- 선택적으로, 원자층 증착에 의해, 상기 배터리 또는 제 1 커버 층 상에, 전기적 절연 소재로 구성되는 적어도 하나의 제 2 커버 층을 증착하고,
- 바람직하게는 10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)을 가진 적어도 하나의 불침투성 제 3 커버 층을 증착하여 실행되는데, 상기 제 3 커버 층은 세라믹 재료 및/또는 저융점 유리, 바람직하게는 600℃ 미만의 융점을 가진 유리로 형성되며, 상기 배터리 또는 제 1 커버 층의 외부 주변에 증착되며,
적어도 하나의 제 2 커버 층 및 적어도 하나의 제 3 커버 층의 연속물이 z회 반복될 수 있고, 여기서 z ≥ 1이며, 적어도 제 3 커버 층의 외부 주변에 증착되며, 상기 캡슐화 시스템의 마지막 층은 10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)를 가지고 세라믹 재료 및/또는 저융점 유리로 형성되는 상기 불침투성 커버 층인, 캡슐화 단계를 실행하는 단계;
f) 적어도 애노드 및 캐소드 연결 구역을 노출하는 컷 스택을 형성하도록 두 개의 컷(Dn, D'n)을 형성하는 단계;
g) 애노드 및 캐소드 접촉 부재를 생성하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 특징들은 독립적으로 또는 기술적으로 호환가능한 특징에 따라 채용될 수 있다:
- 상기 애노드 및 캐소드 접촉 부재를 생성하는 단계는:
ㆍ 적어도 애노드 연결 구역 및 적어도 캐소드 연결 구역 상에, 바람직하게는 적어도 애노드 연결 구역을 포함하는 적어도 접촉 표면 및 적어도 캐소드 연결 구역을 포함하는 적어도 접촉 표면 상에, 전기적 전도성 입자로 채워진 물질로 구성된 제 1 전기 연결층을 증착시키는 단계로서, 제 1 층은 바람직하게 폴리머 수지 및/또는 전기적 전도성 입자로 채워진 졸겔 방법에 의해 얻어진 물질로 구성되는, 제 1 전기 연결층을 증착시키는 단계,
ㆍ 선택적으로, 제 1 층이 폴리머 수지 및/또는 전기적 전도성 입자로 채워진 졸겔 방법에 의해 얻어진 물질로 구성될 때, 폴리머 수지 및/또는 졸겔 방법에 의해 얻어진 물질을 폴리머화하는 단계가 이어지는 건조 단계,
ㆍ 상기 제 1 층 상에, 상기 제 1 전기 연결층 상에 배치되는 제 2 전기 연결층을 증착시키는 단계로서, 상기 제 2 전기 연결층은 바람직하게는 금속 포일 또는 금속 잉크이고, 금속 잉크인 경우에 상기 건조 단계는 상기 제 2 전기 연결층의 증착 후에 교대로 실행될 수 있는, 제 2 전기 연결층을 증착시키는 단계를 포함한다.
- 상기 금속 포일은 압연에 의해 형성되고, 그 후 상기 금속 포일은 제 1 전기 연결층에 적용된다.
- 상기 금속 포일은 제 1 금속 연결층에 대해 현장 외 또는 현장에서 전기 도금에 의해 직접 형성된다.
- 상기 제조 방법은, 단계 g) 후에, 제 1 및 제 2 전기 연결층으로 피복되는, 상기 배터리의 적어도 애노드 및 캐소드 연결 구역 상에, 전도성 잉크를 증착하는 단계 h)를 포함한다.
- 상기 저융점 유리는 SiO2-B2O3; Bi2O3-B2O3, ZnO-Bi2O3-B2O3, TeO2-V2O5, 및 PbO-SiO2 로부터 선택된다.
- 상기 제 2 커버 층은 저온에서 PECVD, 바람직하게는 HDPCVD 또는 ICP CVD 에 의해 증착된다.
- 상기 제 2 커버 층은 산화물 및/또는 질화물 및/또는 Ta2O5 및/또는 산질화물 및/또는 SixNy 및/또는 SiO2 및/또는 SiON 및/또는 비정질 실리콘 및/또는 SiC를 포함한다.
- 상기 전기 연결 지지체가 상기 단위 스택의 제 1 단부면 부근에 위치된 후에, 불침투성 밀폐 수단이 코팅된다.
- 상기 전기 연결 지지체가 상기 단위 스택의 제 1 단부면 부근에 위치되기 전에, 불침투성 밀폐 수단의 적어도 일 부분이 코팅된다.
- 상기 전기 연결 지지체가 상기 단위 스택의 제 1 단부면 부근에 위치되기 전에, 적어도 기본 불침투성 커버 층이 코팅되고, 그 후 상기 전기 연결 지지체가 제 1 단부면 부근에 위치된 후에, 추가 불침투성 커버 층이 코팅된다.
- 이는 다음 단계가 추가로 제공된다:
ㆍ 복수의 지지체(5)를 형성하기 위한 프레임(105)을 제공하는 단계,
ㆍ 복수의 행 및/또는 복수의 열로 배열되는 복수의 단위 스택의 제 1 단부면 부근에 상기 프레임을 위치시키는 단계,
ㆍ 복수의 전기화학 장치를 형성하도록, 상기 스택의 종방향으로 및/또는 측방향으로 적어도 하나의 컷, 특히 복수의 컷을 형성하는 단계.
마지막으로, 본 발명은 본체 및 상기 배터리를 포함하는 전기 에너지-소비 디바이스를 대상으로 하며, 상기 배터리는 전기 에너지를 상기 전기 에너지-소비 디바이스에 공급할 수 있고, 상기 배터리의 전기 연결 지지체는 상기 본체에 고정된다.
먼저, 출원인은 불침투성 면에서 선행 기술의 단점들을 인지하였다. 특히 출원인은 캡슐화 시스템과 접촉 부재 사이의 간섭이 임계 구역을 형성한다는 것을 관찰하였다. 본질적으로, 이러한 구역은 전극들의 올바른 작동을 방해할 수 있는 여러 요소들, 특히 물 분자들의 선호되는 입구를 형성한다. 그러나, 선행 기술에서 상기한 간섭은 불침투성 면에서 만족스럽지 않은데, 이는 상기한 요소들에 대항한 충분한 장벽을 형성하지 못한다.
반대로, 본 발명에 따르면, 불침투성 커버 층의 존재는 선행 기술의 단점들을 극복한다. 더 상세하게, 이러한 커버 층은 상기한 해로운 요소들에 대해 특히 효과적인 장벽을 규정한다. 또한, 이러한 커버 층은 유리하게는 비교적 상단한 두께를 가진다. 이러한 방식으로, 예를 들어 ALD에 의해 증착이 형성되는 기계적인 파손 현상이 방지될 수 있다. 따라서, 본 발명은 강성의 불침투성 캡슐화를 얻으며, 특히 수증기가 캡슐화 시스템과 접촉 부재 사이를 통과하는 것을 방지한다.
특히 유리한 방식으로, 본 발명에 따른 배터리는 제 2 전기 연결층에 금속 포일을 포함한다. 본 발명의 범위 내에 이해되는 바와 같이, 그러한 금속 포일은 유리하게는 “독립된(free-standing)” 구조를 가진다. 달리 말해, 그것은 “현장 외”에서 생성되고, 그런 후에 상기한 제 1 층의 부근으로 이송된다. 이러한 금속 포일은 예를 들어, 압연에 의해 얻어질 수 있고; 이러한 경우에, 압연된 포일은 부분적으로 또는 완벽하게 최종 연화 어닐링을 겪을 수 있다.
본 발명에 사용된 금속 포일은 또한 다른 방법에 의해, 특히, 전기화학적 증착 또는 전기도금에 의해 얻어질 수 있다. 그러한 경우에, 이는 일반적으로 여기서 위에 기재된 바와 같이 “현장 외”로 실행될 수 있다. 대안적으로, 이는 또한 “현장”에서, 즉 상기한 제 1 층 상에 직접 실행될 수 있다.
어떠한 경우든, 일단 생성되면, 이러한 금속 포일은 조절된 두께를 가진다.
여기서 위에 언급된 국제 특허 문헌 WO 2019/215410에 기재된 나노입자로 채워진 잉크로부터 얻어진 구리 금속을 포함하는 층은 본 발명의 범위 내에서 이해될 바와 같이 결코 금속 포일이 아님이 언급되어야만 한다. 더 구체적으로, 선행 기술 문헌에 개시된 층은 위의 기준 중 어느 것도 충족하지 않는다.
일반적으로, 이러한 금속 포일의 두께는 5 내지 200 마이크로미터에 포함된다. 또한, 이러한 금속 포일은 유리하게 완벽하게 과밀하고 전기적 전도성이다. 비제한적인 예시로서, 이러한 금속 포일은 다음의 소재로 구성될 수 있다: 니켈, 스테인레스 강, 구리, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 탄탈륨, 티타늄, 알루미늄, 크롬 및 이들을 포함하는 합금.
코팅층과 조합된 그러한 금속 포일의 사용은 상기한 기술적 효과를, 특히 불침투성 면에서 보강한다. 이러한 점에서 그러한 금속 포일은 금속 나노입자의 증착에 의해 제공되는 것보다 매우 높은 불침투성을 가진다. 더 구체적으로, 소결에 의해 얻어진 막은 더 많은 점 결함을 포함하여, 막이 덜 기밀하게 밀폐되게 한다.
또한, 금속 나노입자의 표면은 종종 얇은 산화층으로 피복되어, 그에 관한 성질은 전기 전도성을 제한한다. 반대로, 금속 포일의 사용은 기밀성 및 전기 전도성을 개선한다.
또한, 금속 포일의 사용은 광범위한 소재가 사용되는 것을 허용한다. 이는 애노드 및 캐소드와 접촉하는 화학적 조성물이 각기 전기화학적으로 안정적인 것을 보장한다. 반대로, 선행 기술에서, 나노입자를 형성하기 위해 이용가능한 소재의 선택은 상대적으로 제한된다.
첨부된 청구항들에서 언급된 건조 단계는 특히 금속 포일이 적어도 애노드 연결 구역 및/또는 적어도 캐소드 연결 구역에, 바람직하게는 적어도 애노드 연결 구역을 포함하는 적어도 접촉 표면 및/또는 적어도 캐소드 연결 구역을 포함하는 적어도 접촉 표면 상에, 접착되도록 보장한다.
첨부된 도면들은 본 발명의 서로 다른 실시예들에 따라 캡슐화된 다층 배터리를 개략적으로 도시한다. 이는 상기 층들의 두께에 수직인 단면들에 대응한다.
도 1은 단일 유닛 배터리를 포함하는 배터리를 도시하며; 캡슐화 시스템은 세 개의 다른 층들을 포함한다.
도 2는 네 개의 유닛 배터리의 스택을 포함하는 배터리를 도시하며; 캡슐화 시스템은 세 개의 다른 층들을 포함한다.
도 3은 네 개의 유닛 배터리의 스택을 포함하는 배터리를 도시하며; 캡슐화 시스템은 두 개의 다른 층들의 세 개의 연속물을 포함한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 배터리를 제조하기 위한 방법의 두 개의 대안적인 실시예에 포함된 애노드 및 캐소드 포일을 교호시킨 스택을 도시하는 사시도이다.
도 5는 전도성 지지체를 더 포함하는 도 1의 배터리를 도시하는 종방향 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 것에 대한 대안적인 실시예를 도시하는 종방향 단면도이다.
도 7은 도 5 및 도 6에 따른 복수의 배터리의 동시 생성을 허용하는 프레임을 도시하는 부감도이다.
도 8은 도 5에 도시된 배터리를 생성하는 단계를 도시하는 도 5의 것과 유사한 정면도이다.
도 9는 복수의 배터리를 얻기 위해 도 7의 프레임에 구성된 컷을 도시하는 부감도이다.
도 10은 에너지-소비 디바이스에 도 5의 배터리의 일체화를 도시하는 정면도이다.
도 11은 특히 전도성 지지체의 구조에 대해 도 10에 도시된 것에 대한 대안적인 실시예를 도시하는 도 10의 것과 유사한 정면도이다.
도 12는 도 11의 전도성 지지체의 다른 구성요소의 분해 사시도이다.
본 발명은 소위 단위 전기화학적 셀, 즉 애노드 전류 집전체, 애노드 층, 전해질 물질의 층 또는 전해질로 함침된 세퍼레이터의 층, 캐소드 층 및 캐소드 전류 집전체를 연속적으로 포함하는 스택을 적용한다. 언급된 집전체는 또한 여기서 “집전 기판”, 즉 애노드 집전 기판 및 캐소드 집전 기판으로 언급된다.
본 발명은 복수의 단위 셀의 스택을 포함하는 배터리에 추가로 적용된다.
본 발명의 하나의 중요한 특징을 나타내는 캡슐화가 여기에 기술된다.
배터리를 구성하는 층들의 스택을 생성한 후에, 그리고 스택을 압밀하기 위한 기계적 및/또는 열 처리 단계(이러한 처리는 고압 및 고온의 동시 적용을 포함하는 열압축 처리일 수 있다) 후에, 이러한 스택은 대기로부터 배터리 셀을 보호하도록 캡슐화 시스템을 증착함으로써 캡슐화된다. 캡슐화 시스템은 화학적으로 안정적이어야만 하고, 고온을 견딜 수 있고, 배터리층으로서 그 기능을 수행하도록 대기에 대해 불침투성이어야 한다.
상기 스택은 다음을 포함하는 캡슐화 시스템으로 피복될 수 있다:
- 선택적으로, 애노드 및 캐소드 포일의 스택 상에 증착된, 바람직하게는 파릴렌, 파릴렌 F, 폴리이미드, 에폭시 수지, 아크릴레이트, 플루오로폴리머, 실리콘, 폴리아미드, 졸겔 실리카, 유기 실리카 및/또는 이들의 혼합물로부터 선택된, 제 1 치밀한 절연 커버 층; 및
- 선택적으로, 애노드 포일 및 캐소드 포일의 스택 상의 또는 제 1 커버 층 상에 원자층 증착에 의해 증착된 전기적 절연 소재로 구성되는 제 2 커버 층; 및
- 필수적 특징에 따라, 바람직하게는 10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)을 가진 불침투성 제 3 커버 층으로서, 상기 제 3 커버 층은 세라믹 재료 및/또는 저융점 유리, 바람직하게는 600℃ 미만의 융점을 가진 유리로 형성되고, 애노드 및 캐소드 포일들의 스택 또는 제 1 커버 층의 외부 주변에 증착되며,
적어도 하나의 제 2 커버 층 및 적어도 하나의 제 3 커버 층의 연속물이 z회 반복될 수 있고, 여기서 z ≥ 1이며, 적어도 제 3 커버 층의 외부 주변에 증착되며, 상기 캡슐화 시스템의 마지막 층은 10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)를 가지고 세라믹 재료 및/또는 저융점 유리로 형성되는 불침투성 커버 층인, 제 3 커버 층.
이러한 연속물은 z회 반복될 수 있고, 여기서 z ≥ 1이다. 이는 z 값이 증가함에 따라 증가하는 배리어 효과를 가진다.
수증기 투과도는, 미국 특허 문헌 US 7,624,621의 대상이며, A. Mortier 등에 의한 간행물 "폴리머 기판 상의 자외선 경화 폴리실라잔 가스 배리어층의 구조적 특성"(Thin Solid Films 6+550 (2014) 85-89에 게재)에 기술된 방법을 사용하여 측정될 수 있다.
일반적으로, 선택적인 제 1 커버 층은 (예를 들어, 함침에 의해 또는 헥사메틸디실록산(HMDSO)으로부터 플라즈마 강화 화학 증기 증착에 의해 증착된) 실리콘, 에폭시 수지, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리-파라-자일릴렌(폴리(p-자일릴렌)으로도 불리지만 파릴렌으로 더 잘 알려짐), 및/또는 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 제 1 커버 층이 증착되면, 이는 그 환경으로부터 배터리의 민감한 요소를 보호한다. 제 1 커버 층의 두께는 바람직하게 0.5　㎛ 내지 3　㎛에 포함된다.
이러한 제 1 커버 층은, 배터리의 전해질 및 전극층이 다공성을 가질 때 특히 유용하고: 그것은 배리어 효과를 갖기도 하는 평탄화층으로서 작용한다. 예시를 통해, 이러한 제 1 층은 접근을 닫도록 층의 표면 상에 열리는 미소기공의 표면을 라이닝할 수 있다.
제 1 커버 층에서, 서로 다른 파릴렌 변종들이 사용될 수 있다. 파릴렌 C, 파릴렌 D, 파릴렌 N(CAS 1633-22-3), 파릴렌 F 또는 파릴렌 C, D, N 및/또는 F의 혼합물이 사용될 수 있다. 파릴렌은 높은 열역학적 안정성, 용매에 대한 우수한 내성 및 매우 낮은 투자율을 갖는 유전성의 투명한 반결정성 재료이다. 파릴렌은 또한 장벽 특성을 가진다. 본 발명의 범위에서 파릴렌 F가 선호된다.
이러한 제 1 커버 층은 유리하게는 배터리의 스택의 표면들에 화학 기상 증착(CVD)에 의해 증착된 기체 단량체들의 응축으로부터 얻어지며, 이는 결과적으로 적층의 접근 가능한 모든 표면들을 등각의 얇고 균일한 커버링을 초래한다. 이 제 1 커버 층은 유리하게는 강성이며; 이는 유연한 표면으로 간주될 수 없다.
역시 선택적인, 제 2 커버 층은 전기 절연 재료, 바람직하게는 무기 재료에 의해 형성된다. 이것은 원자 층 증착(ALD)에 의해, PECVD에 의해, HDPCVD(고밀도 플라즈마 화학 증기 증착)에 의해, ICP CVD(유도 결합된 플라즈마 화학 증기 증착)에 의해 증착되어, 제 1 커버 층으로 이전에 덮인 적층의 접근 가능한 모든 표면들의 등각 커버링을 얻는다. ALD에 의해 증착된 층들은 기계적으로 매우 취약하며, 이들의 보호 역할을 수행하기 위한 강한 지지 표면을 필요로 한다. 유연한 표면 상에 취약한 층의 증착은 균열들의 형성을 초래하여, 이 보호 층이 무결성을 잃게 한다. 또한 ALD에 의해 증착된 층의 성장은 기판의 성질에 영향을 받는다. 서로 다른 화학적 성질들의 구역들을 갖는 기판 상에 ALD에 의해 증착된 층은 불균일하게 성장할 것이고, 이는 보호 층이 무결성을 잃게 할 수 있다. 이러한 이유로, 선택적인 제 2 층은 바람직하게는 상기 제 1 층에 대하여 지지되며, 이는 화학적으로 균일한 성장의 기판을 보장한다.
ALD 증착 기술들은 완전히 불침투성 및 등각 방식으로 높은 조도를 갖는 표면을 덮는데 특히 적합하다. 이들은 구멍들과 같은 결함이 없는 등각 층(소위 "핀홀 없는" 층)의 생성을 허용하고, 매우 우수한 장벽을 나타낸다. 이의 WVTR은 매우 낮다. WVTR(수증기 투과율)은 캡슐화 시스템의 수증기 투과율을 평가하는데 사용된다. WVTR이 낮을수록, 캡슐화 시스템은 불침투성이 높아진다. 이러한 제 2 층의 두께는 유리하게 가스에 대한 원하는 수준의 불침투성, 즉 원하는 WVTR의 함수로서 선택되고, 특히 ALD, PECVD, HDPCVD 및 ICP CVD 중에서 선택되는 사용된 증착 기술에 의존한다.
상기 제 2 커버 층은 예를 들어 Al2O3 또는 Ta2O5 유형의 산화물, 질화물, 인산염, 산질화물 또는 실록산 형태의 세라믹 재료, 유리질 재료 또는 유리-세라믹 재료로 구성될 수 있다. 이러한 제 2 커버 층은 바람직하게는 10 nm 내지 10 ㎛, 바람직하게는 10 nm 내지 50 nm 사이의 두께를 갖는다.
제 1 커버 층 상에 ALD, PECVD, HDPCVD(고밀도 플라즈마 화학 증기 증착) 또는 ICP CVD(유도 결합된 플라즈마 화학 증기 증착)에 의해 증착된 이러한 제 2 커버 층은 첫 번째로 구조를 불침투성으로 만드는 것, 즉, 물이 물체 내부로 이동하는 것을 방지하는 것을 가능케 하고, 두 번째로 바람직하게는 파릴렌 F로 구성된 제 1 커버 층을 대기, 특히 공기 및 습기로부터, 그리고 열 노출로부터 보호하는 것을 가능케 하여, 이들의 분해를 방지한다. 따라서 이러한 제 2 커버 층은 캡슐화된 배터리의 수명을 향상시킨다.
상기 제 2 커버 층은 또한 애노드 및 캐소드 포일들의 스택에, 즉 이 경우 상기 제 1 커버 층이 증착되지 않은 곳에 직접적으로 증착될 수 있다.
상기 제 3 커버 층은 불침투성이어야 하고, 이는 바람직하게는 10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)을 가지는 것을 의미한다. 이러한 제 3 커버 층은 세라믹 재료 및/또는 낮은 융점 유리, 바람직하게는 600℃ 미만의 융점을 가진 유리로 형성되며, 애노드 및 캐소드 포일들의 스택 또는 제 1 커버 층의 외부 주변에 증착된다. 이러한 제 3 커버 층에 사용되는 세라믹 및/또는 유리 재료 유리하게는:
- 낮은 융점 유리 (일반적으로 < 600℃), 바람직하게는 SiO2-B2O3; Bi2O3-B2O3, ZnO-Bi2O3-B2O3, TeO2-V2O5, 및 PbO-SiO2,
- 산화물, 질화물, 산질화물, SixNy, SiO2, SiON, 비정질 실리콘, 또는 SiC.
이러한 유리들은 몰딩 또는 딥 코팅에 의해 증착될 수 있다.
세라믹 소재는 유리하게는 저온에서 PECVD, 바람직하게는 HDPCVD 또는 ICP CVD 에 의해 증착된다; 이러한 방법은 우수한 불침투성의 층이 증착되도록 한다.
따라서, 스택은 애노드 및 캐소드 연결 구역을 노출하고 단위 배터리를 얻도록 D'n 및 Dn 절단선을 따라 임의의 적합한 수단에 의해 절단된다.
접촉 부재(전기 접촉)가 부가되고, 캐소드 연결 및 각기 애노드 연결 구역은 명백하다. 이들 접촉 구역은 바람직하게 전류를 집전(측방향 전류 집전체)하도록 배터리의 스택의 대향하는 측면 상에 배치된다. 접촉 부재는 적어도 캐소드 연결 구역 상에 그리고 적어도 애노드 연결 구역 상에, 바람직하게 적어도 캐소드 연결 구역을 포함하는, 코팅되고 절단된 스택의 면 상에 그리고 적어도 애노드 연결 구역을 포함하는 코팅되고 절단된 스택의 면 상에 배치된다.
바람직하게는, 접촉 부재는 전기적 전도성 입자로 채워진 물질, 바람직하게 폴리머 수지 및/또는 전기적 전도성 입자로 채워지고, 졸겔 방법에 의해 얻어진 물질, 더 바람직하게 그래파이트로 채워진 폴리머 수지를 포함하는 제 1 전기 연결층, 및 제 1 층 상에 배치된 금속 포일로 구성된 제 2 층을 연속적으로 포함하는 층들의 스택에 의해 캐소드 및 애노드 연결 구역 부근에 구성된다.
제 1 전기 연결층은 뒤이은 제 2 전기 연결층이 체결되는 것을 허용하는 한편, 전기 회로가 열 및/또는 진동 응력에 영향받을 때 전기 접촉을 제동하지 않고 연결에서 “유연성”를 제공한다.
제 2 전기 연결층은 유리하게는 금속 포일이다. 이러한 제 2 전기 연결층은 배터리에 습기에 대한 지속적인 보호를 제공하도록 사용된다. 일반적으로, 소재의 소정 두께에 대해, 금속은 일반적으로 물 분자의 통과에 대해 매우 불침투성이 아닌, 세라믹 기반 막보다 더 불침투성, 심지어 폴리머 기반 막보다 더 불침투성인, 매우 불침투성인 막을 생성하는 것을 가능하게 한다. 그것은 접촉 부재에서 WVTR을 감소시킴으로써 배터리의 캘린더 수명을 증가시킨다.
일반적으로, 각각의 제 1 층은 접착 본딩에 의해 애노드 또는 캐소드 터미네이션에 각기 체결된다. 이를 염두에 두고, 전도성 접착층이 사용될 수 있다. 특히, 전도성 접착제의 두 개의 층이 사용될 수 있고, 그에 관한 특성은 서로 다르다. 이들 층은 “연속적”이다, 즉, 제 1 층은 터미네이션을 피복하는 반면에, 제 2 층은 이러한 제 1 층을 피복한다. 유리하게, 이들 두 개의 전도성 접착제는 다른 물리 화학적 특성, 특히 다른 습윤성을 가질 수 있다.
일반적으로, 상기 기술된 금속 포일은 또한 접착 본딩에 의해, 더 정밀하게, 전극과 접촉할 때 전기화학적으로 안정적이어야만 하는 전도성 접착제에 의해 제 1 층 상에 체결된다. 전도성 접착제를 사용하여 본딩된 이러한 금속 포일은 터미네이션의 불침투성을 개선하고 전기 저항을 감소시킨다. 이러한 기술적 효과는 이러한 포일을 제조하기 위한 방법에 상관없이 언급할 가치가 있다.
유리하게는, 전도성 잉크를 포함하는 제 3 전기 연결층은 제 2 전기 연결층 상에 증착될 수 있고, 그 목적은 WVTR을 감소시키고 따라서 배터리의 수명을 증가시키는 것이다.
접촉 부재는 전기 연결이 단부의 각각에서 양과 음 사이에 교호하는 것을 허용한다. 이들 접촉 부재는 병렬의 전기 연결이 다른 배터리 요소 사이에 이루어지는 것을 가능하게 한다. 이러한 목적을 위해, 캐소드 연결만이 일단부에서 돌출하고, 애노드 연결이 또 다른 단부에서 이용가능하다.
이하 본 발명의 서로 다른 실시예들에 따라 캡슐화된 다층 배터리를 개략적으로 도시하는 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명을 설명한다. 이 도면들은 상기 층들의 두께에 수직인 단면들에 대응한다.
직교 좌표계 XYZ가 사용되었으며, 여기서,
- 축 XX는 제 1 수평축으로, 즉 이는 스택을 구성하는 다른 층의 평면에 포함된다. 또한, 이러한 축 XX는 횡방향으로 언급되며, 즉 이는 포일에 대해 측방향으로 연장된다. 특히, 이는 이하에 기술될 접촉 부재의 평면에 수직이다.
- 축 YY는 제 2 수평축으로, 또한 스택의 층들의 평면에 포함된다. 이러한 축 YY는 시상(sagittal)으로 언급되며, 즉 이는 포일의 뒤에서 앞으로 연장된다. 특히, 이는 접촉 부재의 평면에 평행하다.
- 마지막으로, 축 ZZ는 수직으로 연장되는 반면, 위의 축들의 각각에 대해 수직이다. 이는 전두축으로도 언급된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리(I)를 도시한다. 이 배터리는 단일 유닛 셀(1)을 포함한다. 더 상세하게는, 상기 유닛 셀(1)은 애도드 층(2), 전해질 층(3), 및 캐소드 층(2')으로 구성된다. 상기 캡슐화 시스템(4)은 하나가 다른 하나의 위에 배치되는 세 개의 다른 층들을 포함한다: 이상에서 기술된 제 1 층(11), 이상에서 기술된 제 2 커버 층(12), 및 마지막으로 이상에서 기술된 제 3 커버 층(13).
여기서, 이러한 캡슐화 시스템은 (만약 직육면체로 나타난다면) 배터리의 6개의 면들 중 4개를 커버한다. 바람직하게는 측방향으로 서로 반대편에 있는 캡슐화 시스템에 의해 피복되지 않은 두 개의 면들 각각은 단락-회로의 위험을 방지하기 위하여, 적어도 하나의 전기 연결 구역; 애노드 연결 구역을 규정하는 캡슐화 시스템에 의해 피복되지 않은 제 1 면, 및 캐소드 연결 구역을 규정하는 캡슐화 시스템에 의해 피복되지 않은 제 2 면을 한정한다.
이러한 배터리는 각각 전체로서 참조번호 8 및 8'로 지시된 접촉 부재들을 포함한다. 상기에서 기술된 바와 같이, 각각의 접촉 부재는 제 1 전기 연결층(5, 5') 및 제 2 전기 연결층(6, 6')을 포함한다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배터리(II)를 도시한다. 이 배터리(II)는 네 개의 유닛 셀(1a, 1b, 1c, 1d)의 스택을 포함한다. 캡슐화 시스템(4)은 도 1을 참조하여 설명된 세 개의 다른 층들을 포함한다. 접촉 부재(8, 8')는 도 1을 참조하여 위에서 설명된 것과 유사하다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 배터리(III)를 도시한다. 이 배터리는 도 2를 참조하여 기술된 네 개의 유닛 셀의 스택을 포함한다. 캡슐화 시스템(4)은 두 개의 다른 층들, 즉 이상에서 기술된 제 2 커버 층(12), 및 이상에서 기술된 제 3 커버 층(13)의 세 개의 연속물을 포함한다. 마지막으로, 접촉 부재(8, 8')는 도 1을 참조하여 위에서 설명된 것과 유사하다.
도 1 내지 도 3의 배터리(I, II, III)는, 본 발명의 핵심 기준인 불침투성에 관한 조건을 따라야만 함이 언급되어야만 한다. 이러한 목적을 위해, 접촉 부재(8 및 8')는 이러한 불침투성 기준을 충족하는 전도성 소재로 구성된다. 그러한 소재는 (예를 들어, 전극의 작동 포텐셜에서 전기화학적으로 안정적인 크롬, 알루미늄, 구리, 및 다른 금속의 입자 (바람직하게는 나노입자)로 채워진) 특히, 금속 분말로 채워진 유형의 예를 들어, 전도성 유리이다.
유리하게는, 그 자체로 알려진 바와 같이, 여기서 위에 기재된 것과 같은 복수의 단위 스택은 동시에 생성될 수 있다. 이것은 본 발명에 따른 배터리를 제조하기 위한 전체 방법의 효율성을 증가시킨다. 특히, 큰 치수를 갖는 스택이 생성될 수 있고, 캐소드 및 각기 애노드 계층, 또는 포일의 교호 연속에 의해 형성될 수 있다.
예를 들어, 출원인에 의해 출원된 프랑스 특허 문헌 FR　3091036에 알려진 유형인 각각의 애노드 또는 캐소드 포일의 물리 화학적 구조는 본 발명의 범위 내에 해당하지 않고 간략하게만 기재될 것이다. 각각의 애노드 또는 각기 캐소드 포일은 애노드 활성층 또는 각기 캐소드 활성층을 포함한다. 이들 활성층의 각각은 고체일 수 있다, 즉, 이들은 치밀하거나 다공성 성질을 가질 수 있다. 또한, 두 개의 인접한 포일 사이의 전기 접촉을 방지하기 위해, 전해질의 층 또는 액체 전해질로 함침된 세퍼레이터가 반대편 포일과 접촉하는 이들 두 개의 포일 중 적어도 하나 상에 배치된다. 본 발명을 설명하는 도면들에 도시되지 않은, 분리막 또는 액체 전해질로 함침된 전해질 층은 반대 극성의 2개의 호일들 사이, 즉 애노드 호일과 캐소드 호일 사이에 삽입된다.
이들 계층은 다른 최종 배터리 사이의 분리를 제공할 소위 빈 구역을 규정하도록 의도된다. 본 발명의 범위 내에서, 다른 형상이 이들 빈 구역에 할당될 수 있다. 프랑스 특허 문헌 FR　3　091　036에서 출원인에 의해 이미 제안된 바와 같이, 이들 빈 구역은 H-형상일 수 있다. 첨부하는 도 4a은 애노드 포일 또는 계층(1101)과 캐소드 포일 또는 계층(1102) 사이에 스택(1100)을 도시한다. 이러한 도면에 도시된 바와 같이, 컷은 H-형상 애노드(1103) 및 각기 캐소드(1104) 빈 구역을 생성하도록 이들 다른 포일에 구성된다.
대안적으로, 이들 자유 구역은 I-형상일 수도 있다. 첨부하는 도 4는 애노드 포일 또는 계층(1201)과 캐소드 포일 또는 계층(1202) 사이에 스택(1200)을 도시한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 컷은 I-형상 애노드(1203) 및 각기 캐소드(1204) 빈 구역을 생성하도록 이들 다른 포일에 구성된다.
바람직하게는, 일단 다른 단위 스택의 제조가 완료되면, 소정 배터리의 각각의 애노드 및 각각의 캐소드는 전극 물질, 전해질 및/또는 전류 전도성 기판으로부터 자유로운 공간에 의해 각각의 2차 본체로부터 분리된 각각의 1차 본체를 포함한다. 미도시된 추가 대안적인 실시예에 따라, 빈 구역은 형상이 U 형상과 같은 H 또는 I 형상과는 다른 바와 같이 제공될 수 있다. 그럼에도, H 또는 I 형상이 바람직하다. 빈 구역은 제조 방법 동안 수지로 채워질 수 있다.
도 5 및 다음의 도면은 추가적인 유리한 대안 실시예를 도시하고, 위의 배터리는 지지체를 더 포함한다. 이들 도면은 스택(1), 정면 캡슐화 영역(40 및 41), 및 접촉 부재(8 및 8')를 도해하여 도시한다. 평면인 상기한 지지체(50)는 일반적으로 300㎛ 미만, 바람직하게는 100㎛ 미만의 두께를 갖는다. 이 지지체는 유리하게는 전기 전도성 재료, 일반적으로 금속 재료, 특히 알루미늄, 구리 또는 스테인리스 강으로 형성되며, 이는 용접성을 향상시키기 위하여 금, 니켈 및 주석의 얇은 층으로 코팅될 수 있다. 지지체의 소위 전면은 각각 참조번호 51로 표시되고, 단위 스택을 향하며, 반대의 후면은 참조번호 52로 표시된다.
이 지지체는 천공되어 있으며, 즉 중앙 베이스 플레이트(55)와 2개의 반대쪽 측면 스트립들(56, 57)을 한정하는 공간들(53, 54)을 갖는다. 따라서 이 지지체의 상이한 구역들(55, 56, 57)은 서로 전기적 절연된다. 특히, 이하에 기술되는 바와 같이, 측면 스트립들(56, 57)은 서로 전기적 절연되고 배터리에 속한 접촉 부재에 연결될 수 있는 구역들을 형성한다. 도시된 예시에서, 전기 절연은 이후에 도시될 바와 같이 보강 소재로 채워진 빈 공간(53, 54)을 제공함으로써 달성된다. 대안적으로, 이들 공간은 비전도성 소재, 예를 들어, 폴리머, 세라믹, 또는 유리로 채워질 수 있다.
도시된 예시에서, 지지체 및 스택은 층(60)에 의해 서로 연결된다. 후자는 일반적으로 에폭시 또는 아크릴레이트 유형의 비전도성 접착제에 의해 형성된다. 대안적으로, 지지체 및 스택은 미도시된 용접에 의해 서로 단단히 고정될 수 있다. 이러한 층(60)의 두께는 5　㎛ 내지 100　㎛, 특히 약 50　㎛와 동일하게 포함된다. 지지체(50)의 주요 평면에 따라서, 이러한 층은 여기 아래에 구체적으로 언급된 바와 같이 서로 애노드 및 캐소드 접촉 부재를 절연하도록 앞서 언급된 공간(53, 54)을 적어도 부분적으로 피복한다. 또한, 전도성 접착제의 패드(30, 31)는 접촉 부재가 지지체(5)에 체결되는 것을 허용하는 한편, 전기 연속성을 보장한다.
도 5에 도시된 실시예에 상응하는, 제 1 가능성에 따라서, 접촉 부재(8, 8')를 형성하는 물질은 위의 기준에 따라 불침투성 밀폐 기능을 수행하는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해, 이러한 물질은 일반적으로 제 1 세 개의 도면의 기재에 대해 여기 위에서 제시된 목록에 속한다. 그러한 경우에, 추가 캡슐화를 제공할 필요가 없다. 더 구체적으로, 불침투성 접촉 부재의 존재와 캡슐화 덕분에, 애노드 및 캐소드의 단위 스택은 잠재적으로 해로운 가스의 침투에 대해 보호된다.
도 6에 도시된 실시예에 상응하는, 제 2 가능성에 따라서, 접촉 부재(8, 8')를 형성하는 물질은 본 발명의 범위 내에서 이해될 바와 같이 불침투성이 아니다. 그러한 경우에, 배터리는 도 6에 실선으로 도시된 추가적인 소위 캡슐화층(45)을 유리하게 포함한다. 이러한 추가적인 층은 그것이 “재캡슐화되는” 바와 같이 소망하는 불침투성을 갖는 스택을 제공한다. 유리하게는, 이러한 층(45)의 소재는 캡슐화 시스템의 마지막 층과 동일하게 한정된다. 그 결과, 이러한 층(45)은 유리하게는 10-5 g/m².d 미만의 투습도(WVTR)를 가지는 반면, 세라믹 재료 및/또는 낮은 융점 유리로 형성된다. 따라서, 본 실시예에서, "불침투성 커버" 층은 최초 캡슐화 시스템의 마지막 층으로 형성되고, 이는 소위 기본 불침투성 커버 층을 구성하며, 추가 층(45)으로 형성되고, 이는 소위 추가 불침투성 커버 층을 구성한다.
불침투성에 관한 핵심 기준을 보장하기 위해, 이러한 추가 캡슐화 층(45)은 접촉 부재(8, 8')를 일차로 피복한다. 또한, 그것은 최초 캡슐화층(41)과 지지체(50)의 반대편 면 사이에 구성된 중간 공간으로 연장된다. 최종으로, 그것은 또한 지지체에서 자유 공간(53, 54)으로 연장된다. 이러한 도 6의 바닥 부분에서, 참조 번호 45는 이들 특정 구역에 3번 더 주어진다. 결과적으로, 배터리의 적절한 기능화에 해로운 구성요소는 애노드 및 캐소드의 단위 스택에 접근할 수 없다. 달리 말해서, 본 발명은 이들 해로운 구성요소에 대한 임의의 잠재적 “게이트웨이”를 방지한다.
미도시된 제 3 가능성에 따르면, 단위 스택만이 비전도성 접착층의 개재와 함께 지지체 상에 일차로 위치된다. 그런 후에 스택의 측방향 면은 접촉 부재로 피복된다. 이를 염두에 두고, 아직 캡슐화 시스템 없이, 이미 이들 접촉 부재가 제공된 단위 스택 역시 지지체 상에 위치될 수 있다. 최종으로, 캡슐화 시스템이 증착되는 한편, 여기 위에서 기재된 바와 같이 완전한 불침투성을 보장하는 것을 당부한다.
마지막으로, 본 발명의 하나의 유리한 실시예에 따라, 배터리는 보강 시스템을 더 장착할 수 있다. 이는 불침투성 접촉 부재를 갖는 도 5에 도시된 바와 같은 배터리에 일차로 적용될 수 있다. 따라서 이러한 보강 시스템은 전체로서 참조 번호 80에 의해 표시된다. 그러한 경우에, 보강 소재는 측방향 접촉 부재는 물론 배터리의 최상부면을 피복한다. 이러한 보강 소재는 또한 지지체에 자유 공간(53, 54)은 물론, 층(41)과 지지체(50) 사이의 중간 공간을 유리하게 채운다. 이러한 채움을 도시하기 위해, 참조번호 80은 보강 소재가 채워진 다른 구역에 여러 번 사용되었다.
미도시된 방식으로, 보강 소재는 또한 불침투성이 아닌 접촉 부재를 갖는 도 6에 배터리에 적용될 수 있다. 그러한 경우에, 보강 소재는 최상부 및 측방향 에지에서 추가 캡슐화 시스템(45)을 피복한다. 이러한 보강 소재는 층(41)과 지지체(50) 사이의 중간 공간은 물론, 자유 공간(53, 54)에서 캡슐화 소재(45)에 긴밀하게 본딩될 수 있음이 언급되어야만 한다.
이 강화 시스템(80)은 임의의 재료로 만들어질 수 있어, 이러한 기계적 강성 기능을 제공한다. 이를 염두에 두고, 예를 들어 단순한 폴리머 또는 무기 충진제들로 채워진 폴리머로 구성될 수 있는 수지가 선택될 수 있다. 폴리머 매트릭스는 예를 들어 에폭시, 아크릴레이트 또는 플루오르화 폴리머 계열로부터 유래할 수 있으며, 충진제들은 입자, 플레이크 또는 유리 섬유로 형성될 수 있다.
유리하게는, 이러한 강화 시스템(80)은 추가적인 수분 장벽 기능을 제공할 수 있다. 이를 염두에 두고, 낮은 융점 유리를 선택될 수 있어, 예를 들어, 기계적 강도를 보장하고 추가적인 수분 장벽을 제공한다. 이러한 유리는 예를 들어 SiO2-B2O3; Bi2O3-B2O3, ZnO-Bi2O3-B2O3, TeO2-V2O5 또는 PbO-SiO2 계열로부터 유래할 수 있다.
일반적으로, 강화 시스템(80)은 캡슐화 시스템보다 훨씬 두껍다. 도 5를 참조하여, 스택의 전면의 커버링에서, 이 강화 시스템의 가장 작은 두께는 참조번호 E80으로 표시된다. 유리하게는, 이러한 두께(E80)은 20 내지 250㎛로 구성되고, 일반적으로 약 100㎛와 동일하다. 추가 강화 시스템의 존재는 추가적인 이점들을 제공한다. 따라서, 강화 시스템은, 선택적으로 추가 가스 차단 기능과 결합된, 기계적 및 화학적 보호 기능을 제공한다.
여기 위에 기재된 바와 같이 지지체(50) 상에 본 발명에 따른 배터리의 일체화는 지지체 상에 각각의 단위 스택을 개별적으로 위치시킴으로써 달성될 수 있다. 그럼에도, 복수의 배터리는 유리하게 동시에 제조되고, 각기 그러한 지지체를 일체화한다.
이를 염두에 두고, 그러한 동시 제조 방법이 도 7 내지 도 9에 도시된다. 이러한 방법을 실행하기 위해서, 복수의 지지체(50)를 형성하도록 의도된 지지 프레임(105)은 유리하게 사용된다. 도 7에 대축척으로 도시된 이러한 프레임(104)은 그 각각이 하나의 각각의 배터리가 제조되는 것을 허용하는, 복수의 프리폼(151)은 물론, 주변 보더(150)를 가진다. 도시된 예시에서, 12개의 상호 동일한 프리폼이 보여질 수 있고, 이는 3개의 행 및 4개의 열로 나누어질 수 있다. 대안적으로, 다른 개수의 그러한 프리폼을 갖는 프레임이 사용될 수 있다.
각각의 프리폼은 각기 베이스 플레이트(55)를 형성하도록 의도된 중심 영역(155) 및 스트립(56 및 57)을 형성하도록 의도된 두 개의 측방향 블록(156 및 157)을 포함한다. 영역 및 블록은 공간(53 및 54)을 형성하도록 의도된 홈(153 및 154)에 의해 서로 분리된다. 다른 프리폼이 서로에 관련해서 그리고 각기 다른 수평봉(158) 및 수직봉(159)에 의해 주변 에지에 관련해서, 고정된다.
이러한 실시예에서, 각각의 프리폼(151)은 따라서 도 1에 도시된 것에 따라서 이미 캡슐화된 배터리를 수용한다. 제조 방법의 관점에서, 비전도성 접착제의 용량(106)은 층(6)을 형성하도록 각각의 영역(155) 상에 증착되고, 전도성 접착제의 용량(130 및 131)은 패드(30 및 31)를 형성하도록 증착된다. 그런 후에 캡슐화된 스택이 접착제층(60) 및 패드(30 및 31)를 형성하도록 지지체와 접촉하여 위치되어, 이러한 스택이 지지체에 상호 체결되게 한다.
마지막으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 컷이 프레임(150)에 구성되고, 그 위에 복수의 배터리의 다른 구성요소가 배치된다. 다른 절단선은 점선으로 표시되고 배터리의 종방향 치수에서 컷에 대한 참조부호 D 및 측방향 치수에서 컷에 대한 참조부호 D'로 표시된다. 프레임의 두 개의 치수에서, 특정 구역(R 및 R')은 폐기되도록 의도됨이 언급되어야만 한다.
미도시된 대안적인 실시예에 따라서, 본 발명에 따른 전기화학적 장치는 하나 이상의 추가 전자 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 그러한 구성요소는 LDO(“로우 드롭아웃 레귤레이터”) 유형일 수 있다. 일반적으로, 복잡한 전자 기능을 갖는 미니 회로의 생성이 구상될 수 있다. 이를 염두에 두고, RTC(“리얼 타임 클록”) 모듈 또는 에너지 하베스팅 모듈이 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 하나 이상의 전자 구성요소는 단위 스택을 보호하는 것과 동일한 캡슐화 시스템에 의해 유리하게 피복된다.
동작시, 종래의 방식으로, 전기 에너지는 단위 스택에 저장된다. 이 에너지는 접촉 부재 및 전도성 접착제의 패드(30, 31)를 통하여 지지체(50)의 전도성 구역들(55, 56)으로 전달된다. 이들 전도성 구역들이 서로로부터 절연되기 때문에, 단락의 위험은 없다. 이후 전기 에너지는 구역들(56, 57)로부터 임의의 적절한 유형의 에너지-소비 디바이스로 향한다.
도 10에서, 이러한 에너지-소비 디바이스는 도해하여 표현되고 참조 번호 1000에 의해 표시된다. 그것은 본체(1002)를 포함하고, 그 위에 지지체의 하부면이 안착한다. 이러한 본체(1002)와 지지체(50) 사이의 상호 체결은 임의의 적합한 수단에 의해 달성된다. 도 10에서, 디바이스(1000)는 도 5에 도시된 배터리를 일체화하고, 그에 대한 접촉 부재는 불침투성임이 언급되어야만 한다. 미도시된 대안적인 실시예에 따라서, 도 6에 배터리는 또한 에너지-소비 디바이스(1000)와 조합될 수 있다. 그러한 경우에, 여기 위에 설명된 바와 같이, 추가 캡슐화 소재(45)는 애노드 및 캐소드의 단위 스택을 완벽하게 불침투성으로 만든다는 것이 보장되어야만 한다. 참조는 특히, 도 6에 참조 번호 45의 다른 위치에 대해 여기 위에 주어진 기재에 대해서 이루어진다.
이 디바이스(1000)는 에너지-소비 요소(1004), 및 지지체(50)의 구역들(56, 57)을 이러한 요소(1004)에 전기적으로 연결하는 연결 라인들(1006, 1007)를 더 포함한다. 이의 제어는 배터리 자체의 구성요소에 의해, 및/또는 상기 디바이스(1000)에 속하는 도시되지 않은 구성요소에 의해 제공될 수 있다. 비제한적인 예들로서, 이러한 에너지-소비 디바이스는 증폭기 유형의 전자 회로, 클록 유형의 전자 회로(예: 실시간 클록(RTC) 구성요소), 휘발성 메모리 유형의 전자 회로, 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM : Static Random Access Memory) 유형의 전자 회로, 마이크로프로세서 유형의 전자 회로, 워치독 타이머 유형의 전자 회로, 액정 디스플레이 타입의 구성요소, LED(발광 다이오드) 유형의 구성요소, 전압 조정기(예: 저-드롭아웃 조정기 회로(LDO)) 유형의 전자 회로, 또는 CPU(중앙 처리 유닛) 유형의 전자 구성요소가 될 수 있다.
대안적인 실시예는 이제 도 11 및 12를 참조하여 설명될 것이며, 여기서 전도성 지지체(750)는 단층 유형인 전술한 지지체(50)와 대조적으로 다층 유형으로 이루어질 수 있다. 더욱이, 이러한 지지체(750)는 특히 천공 유형인 상기 금속 그리드와 대조적으로 중실 유형으로 이루어질 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 지지체(750)는 예를 들어 폴리머 재료로 형성된 층들로 형성된다. 이들 층들은 하나가 다른 층 아래로 연장되며, 그 주 평면은 상기된 스택(1)을 형성하는 층들의 평면에 실질적으로 평행하다. 따라서 이 지지체의 구조는 인쇄 회로 기판(PCB)의 구조와 유사하다.
도 11 및 12는 위에서 아래로, 층(756)을 도시하며, 그 위에 배터리 적층이 증착될 것이다. 주로 에폭시 수지와 같은 고분자 재료로 형성된 이 층(756)에는 2개의 삽입물들(757)이 제공된다. 이들은 전도성 재료, 특히 금속 재료로 형성되며, 배터리의 애노드 및 각각의 캐소드 접점들과 협력하도록 설계되었다. 이들 삽입물들(757)이 층(756)의 에폭시 수지 덕분에 서로 절연된다는 점에 주목해야 한다.
층(756) 바로 아래에는, 또한 에폭시 수지와 같은 폴리머 재료로 형성된 층(758)이 있다. 이 층(758)에는 제 1 삽입물들(757)과 전기적으로 접촉하게 되는 전도성 재료로 형성된 2개의 삽입물들(759)이 제공된다. 층(756)과 마찬가지로, 이들 삽입물들(759)은 서로로부터 절연된다.
그 다음, 중앙 층(760)이 존재하며, 이는 위에서 설명된 층들(756 및 758)과 상당히 다르다. 더 구체적으로, 이 층(760)은 위에서 설명된 삽입물들(757, 759)을 형성하는 것과 일반적으로 유사한 전도성 재료로 형성된다. 이 층에는 절연 재료, 특히 전술한 바와 같은 에폭시 수지로 형성된 2개의 링형 삽입물들(761)이 구비되어 있다. 이들 삽입물들(761)은 중공 중앙 부분에 인접한 전도성 삽입물들(759)과 접촉하여 배치되는 전도성 재료로 형성된 디스크들(762)을 수용한다. 이들 전도성 디스크들(762)이 링들(761)을 통해 서로 절연된다는 점에 주목해야 한다.
마지막으로, 도 11 및 12의 바닥 층들(764, 766)이 존재하며, 이들은 위에서 설명된 층들(758, 756)과 각각 동일하다. 층(764)에는 디스크들(762)과 접촉하는 2개의 삽입물들(765)이 장착되는 반면, 바닥 층(766)에는 상술한 삽입물들(765)과 접촉하는 2개의 삽입물들(767)이 제공된다. 상이한 전도성 삽입물들(757, 759, 762, 765 및 767)은 참조번호 753, 754로 표시된 전도성 경로들을 한정하며, 이 경로들은 지지체(705)의 반대쪽 단부 면들을 전기적으로 연결한다. 이들 경로들은 층들(756, 758, 764 및 766) 또는 디스크들(761)에 의해 서로 절연된다.
이 실시예에서, 강화 시스템은 제 1 실시예의 강화 시스템(80)과 상이할 수 있다. 보호 필름(780)은 특히 적층 단계에 의해 증착될 수 있다. 차단 특성들을 갖는 이러한 필름은 예를 들어 무기 다층을 포함하는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 제조되며; 본 발명에 적합할 수 있는 그러한 제품은 참조 Ultra Barrier Film 510 또는 Ultra Barrier Solar Films 510-F 하에 3M 사로부터 상업적으로 취득가능하다. 그러나, 압연에 의해 얻어진 필름을 사용하는 그러한 강화 시스템은 도 11에 도시된 적용예에 더하여 다른 적용예에서 사용될 수 있다.
도 11은 에너지-소비 디바이스(1000) 상에서 지지체(705), 적층(702), 전도성 패드들(730, 740), 캡슐화(707) 및 필름(708)의 통합을 추가로 보여준다. 제 1 실시예에서와 같이, 적층(702)에서 생성된 에너지는 접촉 부재들(730, 740)를 통해 상부 삽입물들(757)로 전달된다. 이 에너지는 이후 위에서 설명된 연결 경로들(753, 754)을 따라 에너지-소비 디바이스(1000)로 전달된다.
그것의 가장 일반적인 구조에서, 다층 지지체는 하나가 다른 층 아래에 있는 단지 2개의 개별 층들로 형성될 수 있다. 이러한 층들은 위에서 설명된 전도성 경로들(753, 754)과 유사한 전도성 경로를 한정한다. 도 11을 참조하여 도시된 이러한 특정 실시예에는 특정 이점들이 있다. 더 상세하게는, 참조번호 750으로 표시된 것과 같은 다층 지지체는 매우 얇은 두께, 유리하게는 100㎛ 미만의 두께를 가진다. 이러한 지지체는 가요성 전자 회로에 대한 통합의 관점에서 특히 만족스러운 굽힘 강도로부터 추가적인 이점을 갖는다.
본 발명은 도시되고 기술된 예들에 한정되지 않는다.
미도시된 제 1 대안적인 실시예에 따라서, 각각의 집전 기판은 천공될 수 있다, 즉, 그것은 적어도 하나의 스루 오프닝을 가질 수 있다. 유리하게는, 각각의 천공(또는 오프닝)의 횡방향 치수는 0.02　mm 내지 1　mm에 포함된다. 또한, 각각의 천공된 기판의 공극률은 10% 내지 30%에 포함된다. 이는 이러한 기판의 소정 표면 영역에 대해, 이러한 표면 영역의 10% 내지 30%가 천공으로 채워짐을 의미한다.
이들 천공 또는 오프닝의 기술적 목적은 다음과 같다: 기판의 두 개의 면 중 하나 상에 증착된 제 1 층이 기판의 두 개의 면 중 다른 하나 상에 증착된 제 1 층에 대해 오프닝 내부에 본딩할 것이다. 이는 증착, 특히 기판과 접촉하는 층의 접착의 품질을 개선한다. 더 구체적으로, 건조 및 소결 동작 동안, 앞서 언급된 층은 약간의 수축, 즉, 종방향 및 측방향 치수에서 약간의 감소를 겪는 반면에, 기판의 치수는 실질적으로 변하지 않는다, 이는 기판과 각각의 층 사이의 인터페이스에서 전단 응력을 생성하고, 따라서 접착의 품질을 감소시키는 경향이 있고; 층의 두께가 증가함에 따라 이러한 응력은 증가한다.
이러한 조건 하에서, 천공된 기판을 제공하는 것은 이러한 접착의 품질을 현저하게 개선한다. 핵심적으로, 이러한 기판의 대향하는 면 상에 위치된 층은 다른 천공 내부에 서로 용접하는 경향이 있다. 이는, 어닐링 후에 더이상 유기 바인더를 포함하지 않음에도, 층의 증착 두께가 증가되는 것을 허용한다. 이러한 대안적 실시예는 또한 배터리 파워가 증가되는 것을 허용한다. 그것은 두꺼운 메조포러스 유형의 UHP(ultra high-power) 전극과 함께 사용하기에 특히 매우 적합하다.
본 발명에 따른 방법은 고체 상태 배터리, 즉 전극 및 전해질이 고체이고 액체상을 포함하지 않는, 심지어 고체상에 함침된 배터리의 제조에 특히 적응된다.
본 발명에 따른 방법은 전해질로 함침된 적어도 하나의 세퍼레이터를 포함하는 준고체 상태로 간주되는 배터리의 제조에 특히 적응된다.
상기 세퍼레이터는 바람직하게는 다음을 가지는 다공성 무기층이다:
- 30% 보다 큰, 바람직하게는 35% 내지 50%, 더 바람직하게는 40% 내지 50%에 포함되는 다공성, 바람직하게 메조포러스,
- 50　nm 미만의 평균 직경 D50을 갖는 기공.
세퍼레이터는 종종 전극 사이에 샌드위치되는 것으로 이해된다. 본 예시의 실시예에서, 이는 전극 중 적어도 하나 상에 증착된 그리고 배터리의 고체 조립체를 생성하도록 소결된 세라믹 또는 유리 세라믹 필터이다. 액체가 이러한 세퍼레이터 내부에 나노압축된다는 사실은 최종 배터리에 준고체 특성을 부여한다.
세퍼레이터의 두께는 그 특성을 약화시키지 않고 배터리의 최종 두께를 감소시키도록, 유리하게 10　㎛ 미만이고, 바람직하게 3　㎛ 내지 16　㎛, 더 바람직하게 3　㎛ 내지 6　㎛, 심지어 더 바람직하게 2.5　㎛ 내지 4.5　㎛에 포함된다. 세퍼레이터의 기공은 전해질로, 바람직하게 액체 전해질 또는 리튬염을 포함하는 이온성 액체와 같은 리튬 이온 전달 상으로 침전된다. 기공에서, 특히 메조포러스에서 “나노컨파인드” 또는 ”나노 포획된” 액체는 더 이상 빠져나갈 수 없다. 그것은 (리튬 이온 배터리의 문맥 내에 문헌에 기재된 듯이 보이지 않는) “메조포러스 구조에서 흡수”로서 여기 언급된 현상에 의해 결합되고, 셀이 진공에 위치될 때조차 더 이상 빠져나갈 수 없다. 따라서 그러한 배터리는 준 고체 상태 배터리로 간주된다.
본 발명에 따른 방법 및 캡슐화 시스템은 특히 박막 배터리의 임의의 유형에, 특히, 리튬 이온 배터리의 임의의 유형에 적용될 수 있다.
이들 리튬 이온 배터리는 고체 상태 다층 리튬 이온 배터리, 준고체 상태 다층 리튬 이온 배터리일 수 있고, 특히 고체 상태 다층 리튬 이온 마이크로배터리일 수 있다. 더 일반적으로, 이들 리튬 이온 배터리는 마이크로배터리의 범위 내에 국제 특허 문헌 WO　2013/064777에 기재된 이들과 같은 특히 애노드 층, 전해질층, 및 캐소드 층, 즉, 해당 문헌의 청구항 제 13항에 기재된 물질 중 하나 이상으로부터 구성된 애노드 층, 해당 문헌의 청구항 제 14항에 기재된 물질 중 하나 이상으로부터 구성된 캐소드 층, 및 해당 문헌의 청구항 제 15항에 기재된 물질 중 하나 이상으로부터 구성된 전해질층을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리는 리튬-이온 마이크로배터리, 리튬-이온 미니배터리, 또는 고출력 리튬-이온 배터리일 수 있다. 특히, 약 1 mAh 이하의 용량을 가지거나(일반적으로 "마이크로 배터리"로 알려짐), 약 1 mAh보다 크거나 최대 약 1 Ah의 전력을 갖거나(일반적으로 "미니 배터리"로 알려짐), 또는 약 1Ah 초과의 용량을 갖도록(일반적으로 "고출력 배터리"로 알려짐), 설계될 수 있고, 크기가 정해질 수 있다. 일반적으로 마이크로배터리들은 마이크로일렉트로닉스 제조 방법과 호환되도록 설계되었다.
이들 세 가지 전력 범위들 각각의 배터리들이 생산될 수 있다:
- "고체-상태" 유형의 층들로서, 즉 함침된 액체 또는 페이스트 상들이 없는 층들을 갖는(상기 액체 또는 페이스트 상들은 전해질로 작용할 수 있는 리튬-이온 전도성 매질일 수 있음),
- 또는, 액체 또는 페이스트 상, 일반적으로 리튬-이온 전도성 매질로 함침된 메조다공성 "고체-상태" 유형의 층들로서, 상기 매질은 자발적으로 층을 관통하고, 더 이상 나오지 않으므로, 준-고체로 간주될 수 있는 층들을 갖는,
- 또는, 함침된 다공성 층들을 갖는(즉, 액체 또는 페이스트 상으로 함침될 수 있는 개방 구멍들의 네트워크를 갖는 층들로, 이러한 층들에 습윤 특성들을 부여함).

Claims (28)

  1. 배터리로서,
    - 적어도 하나의 단위 셀을 포함하고, 상기 단위 셀은 애노드 집전 기판, 애노드 층, 전해질 물질 또는 전해질로 함침된 세퍼레이터의 층, 캐소드 층, 및 캐소드 집전 기판을 연속적으로 포함하며,
    상기 배터리가 복수의 단위 셀을 포함하는 경우에, 상기 층들에 대해 지정된 순서에 따라 두 번째 단위 셀은 첫 번째 단위 셀의 상단에 배치되며,
    - 상기 단위 셀 또는 단위 셀들의 외부 주변의 적어도 일 부분을 피복하는 캡슐화 시스템을 포함하고, 상기 캡슐화 시스템은:
    ㆍ 선택적으로, 배터리 상에 증착된, 바람직하게는 파릴렌, 파릴렌 F, 폴리이미드, 에폭시 수지, 실리콘, 폴리아미드, 졸겔 실리카, 유기 실리카 및/또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 제 1 커버 층,
    ㆍ 선택적으로, 원자층 증착에 의해, 상기 배터리 또는 제 1 커버 층에 증착되는, 전기적 절연 소재로 구성되는 제 2 커버 층을 포함하며,
    - 적어도 상기 단위 셀과 외부 전도성 요소 사이의 전기 접촉을 형성할 수 있는 적어도 하나의 애노드 접촉 부재를 포함하고, 상기 배터리는 적어도 하나의 애노드 연결 구역을 규정하는 접촉 표면을 포함하며, 및
    - 외부 전도성 요소와의 전기 접촉을 형성할 수 있는 적어도 하나의 캐소드 접촉 부재를 포함하고, 상기 배터리는 적어도 하나의 캐소드 연결 구역을 규정하는 제 2 접촉 표면을 포함하는, 배터리에 있어서,
    상기 배터리는, 상기 캡슐화 시스템이:
    10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)을 가진 불침투성 제 3 커버 층을 포함하고, 상기 제 3 커버 층은 세라믹 재료 및/또는 저융점 유리, 바람직하게는 600℃ 미만의 융점을 가진 유리로 형성되며, 상기 층은 상기 배터리 또는 제 1 커버 층의 외부 주변에 증착되며,
    상기 제 2 커버 층이 존재할 때, 상기 제 2 커버 층 및 제 3 커버 층의 연속물이 z회 반복될 수 있고, 여기서 z ≥ 1이며, 적어도 제 3 커버 층의 외부 주변에 증착되며, 상기 캡슐화 시스템의 마지막 층은 10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)를 가지고 세라믹 재료 및/또는 저융점 유리로 형성되는 상기 불침투성 커버 층인, 것을 특징으로 하는, 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    바람직하게는 10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)을 가지는 상기 불침투성 제 3 커버 층은, 1　㎛ 내지 50　㎛, 바람직하게는 1　㎛ 내지 10　㎛, 더 바람직하게는 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 사이의 두께를 가지는, 배터리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 애노드 접촉 부재 및 캐소드 접촉 부재 각각은:
    - 적어도 애노드 연결 구역 및 적어도 캐소드 연결 구역 상에 증착된 제 1 전기 연결층으로서, 전기적 전도성 입자, 바람직하게는 폴리머 수지로 채워진 물질 및/또는 졸겔 방법에 의해 얻어지고 전기적 전도성 입자, 더 바람직하게는 그래파이트로 채워진 폴리머 수지로 채워진 물질을 포함하는, 상기 제 1 전기 연결층;
    - 전기적 전도성 입자로 채워진 물질의 제 1 층 상에 배치되는 금속 포일을 포함하는 제 2 전기 연결층;을 포함하는, 배터리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 포일은 독립된 유형이고, 금속 포일은 유리하게는 상기 제 1 전기 연결층에 적용되는, 배터리.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 포일은 압연 또는 전기 도금에 의해 생성되는, 배터리.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 포일의 두께는 5 내지 200 마이크로미터 사이로 구성되고, 상기 금속 포일은 특히 니켈, 스테인레스 강, 구리, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 탄탈륨, 티타늄, 알루미늄, 크롬 및 이들을 포함하는 합금의 소재 중 하나로 형성되는, 배터리.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 접촉 부재 및 캐소드 접촉 부재 각각은 제 2 전기 연결 층 상에 배치된 전도성 잉크를 포함하는 제 3 층을 포함하는, 배터리.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 단위 셀의 단부면 부근에 제공되고, 적어도 부분적으로 전도성 물질로 형성되는, 전기 연결 지지체,
    - 상기 연결 지지체의 각각의 전기 연결 경로를 형성하는 두 개의 떨어진 영역을 서로 절연되게 하는 전기 절연 수단을 더 포함하고,
    - 상기 애노드 접촉 부재는 각 단위 셀의 제 1 측방향 면이 제 1 전기 연결 경로에 전기적으로 연결되게 하고, 상기 캐소드 접촉 부재는 각 단위 셀의 제 2 측방향 면이 제 2 전기 연결 경로에 전기적으로 연결되게 하는, 배터리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 연결 지지체는 단일층 유형, 특히 금속 그리드 또는 실리콘 중간층인, 배터리.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 연결 지지체는 하나가 다른 하나 아래에 배치된 복수의 층들을 포함하고, 상기 지지체는 특히 인쇄 회로 기판 유형인, 배터리.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불침투성 커버 층은, 특히 애노드 및 캐소드 접촉 부재들을 피복하지 않는 기본 불침투성 커버 층, 및 특히 상기 접촉 부재들 전체 또는 일부를 피복하고, 및 특히 상기 전기 연결 지지체를 적어도 부분적으로 피복하는, 추가 불침투성 커버 층을 포함하는, 배터리.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리는 리튬-이온 배터리인, 배터리.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리는 고체 상태 리튬-이온 배터리인, 배터리.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1 mAh 이하의 용량을 가지도록 설계되고 치수화되는, 배터리.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1 mAh 초과의 용량을 가지도록 설계되고 치수화되는, 배터리.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 배터리의 제조 방법으로서,
    a) 애노드 층으로 코팅되고, 선택적으로 전해질 물질 또는 전해질로 함침된 세퍼레이터의 층으로 코팅되어, 이하 애노드 포일로 언급되는, 적어도 하나의 애노드 집전 기판 포일을 제공하는 단계;
    b) 캐소드 층으로 코팅되고, 선택적으로 전해질 물질 또는 전해질로 함침된 세퍼레이터의 층으로 코팅되어, 이하 캐소드 포일로 언급되는, 적어도 하나의 캐소드 집전 기판 포일을 제공하는 단계;
    c) 적어도 하나의 애노드 집전 기판, 적어도 하나의 애노드 층, 전해질 물질 또는 전해질로 함침된 세퍼레이터의 적어도 하나의 층, 적어도 하나의 캐소드 층, 및 적어도 하나의 캐소드 집전 기판을 연속적으로 얻도록 적어도 하나의 애노드 포일 및 적어도 하나의 캐소드 포일을 교호시킨 스택(I)을 생성하는 단계,
    d) 압밀된 스택을 형성하도록, 단계 c)에서 얻어진 교호하는 포일의 스택을 열 처리하고 및/또는 기계적으로 압축하는 단계,
    e) 상기 압밀된 스택을 캡슐화하는 단계를 실행하는 단계로서:
    - 선택적으로, 상기 배터리 상에, 바람직하게는 파릴렌, 파릴렌 F, 폴리이미드, 에폭시 수지, 실리콘, 폴리아미드, 졸겔 실리카, 유기 실리카 및/또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 적어도 하나의 제 1 커버 층을 증착하고,
    - 선택적으로, 원자층 증착에 의해, 상기 배터리 또는 제 1 커버 층 상에, 전기적 절연 소재로 구성되는 적어도 하나의 제 2 커버 층을 증착하고,
    - 바람직하게는 10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)을 가진 적어도 하나의 불침투성 제 3 커버 층을 증착하여 실행되는데, 상기 제 3 커버 층은 세라믹 재료 및/또는 저융점 유리, 바람직하게는 600℃ 미만의 융점을 가진 유리로 형성되며, 상기 배터리 또는 제 1 커버 층의 외부 주변에 증착되며,
    적어도 하나의 제 2 커버 층 및 적어도 하나의 제 3 커버 층의 연속물이 z회 반복될 수 있고, 여기서 z ≥ 1이며, 적어도 제 3 커버 층의 외부 주변에 증착되며, 상기 캡슐화 시스템의 마지막 층은 10-5g/m2.d 미만의 수증기 투과도(WVTR)를 가지고 세라믹 재료 및/또는 저융점 유리로 형성되는 상기 불침투성 커버 층인, 캡슐화 단계를 실행하는 단계;
    f) 적어도 애노드 및 캐소드 연결 구역을 노출하는 컷 스택을 형성하도록 두 개의 컷(Dn, D'n)을 형성하는 단계;
    g) 애노드 및 캐소드 접촉 부재를 생성하는 단계;를 포함하는, 배터리의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 애노드 및 캐소드 접촉 부재를 생성하는 단계는:
    - 적어도 애노드 연결 구역 및 적어도 캐소드 연결 구역 상에, 바람직하게는 적어도 애노드 연결 구역을 포함하는 적어도 접촉 표면 및 적어도 캐소드 연결 구역을 포함하는 적어도 접촉 표면 상에, 전기적 전도성 입자로 채워진 물질로 구성된 제 1 전기 연결층을 증착시키는 단계로서, 제 1 층은 바람직하게 폴리머 수지 및/또는 전기적 전도성 입자로 채워진 졸겔 방법에 의해 얻어진 물질로 구성되는, 제 1 전기 연결층을 증착시키는 단계,
    - 선택적으로, 제 1 층이 폴리머 수지 및/또는 전기적 전도성 입자로 채워진 졸겔 방법에 의해 얻어진 물질로 구성될 때, 폴리머 수지 및/또는 졸겔 방법에 의해 얻어진 물질을 폴리머화하는 단계가 이어지는 건조 단계,
    - 상기 제 1 층 상에, 상기 제 1 전기 연결층 상에 배치되는 제 2 전기 연결층을 증착시키는 단계로서, 상기 제 2 전기 연결층은 바람직하게는 금속 포일 또는 금속 잉크이고, 금속 잉크인 경우에 상기 건조 단계는 상기 제 2 전기 연결층의 증착 후에 교대로 실행될 수 있는, 제 2 전기 연결층을 증착시키는 단계를 포함하는, 배터리의 제조 방법.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 포일은 압연에 의해 형성되고, 그 후 상기 금속 포일은 제 1 전기 연결층에 적용되는, 배터리 제조 방법.
  19. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 포일은 제 1 금속 연결층에 대해 현장 외 또는 현장에서 전기 도금에 의해 직접 형성되는, 배터리 제조 방법.
  20. 제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제조 방법은, 단계 g) 후에, 제 1 및 제 2 전기 연결층으로 피복되는, 상기 배터리의 적어도 애노드 및 캐소드 연결 구역 상에, 전도성 잉크를 증착하는 단계 h)를 포함하는, 배터리 제조 방법.
  21. 제 16 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저융점 유리는 SiO2-B2O3; Bi2O3-B2O3, ZnO-Bi2O3-B2O3, TeO2-V2O5, 및 PbO-SiO2 로부터 선택되는, 배터리 제조 방법.
  22. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 커버 층은 저온에서 PECVD, 바람직하게는 HDPCVD 또는 ICP CVD 에 의해 증착되는, 배터리 제조 방법.
  23. 제 16 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 커버 층은 산화물 및/또는 질화물 및/또는 Ta2O5 및/또는 산질화물 및/또는 SixNy 및/또는 SiO2 및/또는 SiON 및/또는 비정질 실리콘 및/또는 SiC를 포함하는, 배터리 제조 방법.
  24. 제 16 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 8 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 배터리의 제조를 위하여, 상기 전기 연결 지지체가 상기 단위 스택의 제 1 단부면 부근에 위치된 후에, 불침투성 밀폐 수단이 코팅되는, 배터리 제조 방법.
  25. 제 16 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 8 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 배터리의 제조를 위하여, 상기 전기 연결 지지체가 상기 단위 스택의 제 1 단부면 부근에 위치되기 전에, 불침투성 밀폐 수단의 적어도 일 부분이 코팅되는, 배터리 제조 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 배터리의 제조를 위하여, 상기 전기 연결 지지체가 상기 단위 스택의 제 1 단부면 부근에 위치되기 전에, 적어도 기본 불침투성 커버 층이 코팅되고, 그 후 상기 전기 연결 지지체가 제 1 단부면 부근에 위치된 후에, 추가 불침투성 커버 층이 코팅되는, 배터리 제조 방법.
  27. 제 16 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 복수의 지지체(5)를 형성하기 위한 프레임(105)을 제공하는 단계,
    - 복수의 행 및/또는 복수의 열로 배열되는 복수의 단위 스택의 제 1 단부면 부근에 상기 프레임을 위치시키는 단계,
    - 복수의 전기화학 장치를 형성하도록, 상기 스택의 종방향으로 및/또는 측방향으로 적어도 하나의 컷, 특히 복수의 컷을 형성하는 단계를 더 포함하는, 배터리 제조 방법.
  28. 본체(1002) 및 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 배터리를 포함하는 전기 에너지-소비 디바이스(1000)로서,
    상기 배터리는 전기 에너지를 상기 전기 에너지-소비 디바이스에 공급할 수 있고, 상기 배터리의 전기 연결 지지체(5)는 상기 본체에 고정되는, 전기 에너지-소비 디바이스.
KR1020227025664A 2019-12-24 2020-12-23 신규한 캡슐화 시스템을 갖는 배터리, 특히 박막 배터리 KR20220120641A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1915544 2019-12-24
FR1915544A FR3105605B1 (fr) 2019-12-24 2019-12-24 Batterie, notamment en couches minces, avec un nouveau système d’encapsulation
FR1915566 2019-12-24
FR1915566A FR3105602B1 (fr) 2019-12-24 2019-12-24 Dispositif électrochimique de type batterie, comprenant des moyens d’étanchéité perfectionnés, et son procédé de fabrication
PCT/IB2020/062400 WO2021130698A1 (fr) 2019-12-24 2020-12-23 Batterie, notamment en couches minces, avec un nouveau systeme d'encapsulation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220120641A true KR20220120641A (ko) 2022-08-30

Family

ID=74068308

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227025664A KR20220120641A (ko) 2019-12-24 2020-12-23 신규한 캡슐화 시스템을 갖는 배터리, 특히 박막 배터리

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20230029225A1 (ko)
EP (1) EP4082062A1 (ko)
JP (1) JP2023508066A (ko)
KR (1) KR20220120641A (ko)
CN (1) CN115191049A (ko)
CA (1) CA3162319A1 (ko)
IL (1) IL293784A (ko)
TW (1) TW202131538A (ko)
WO (1) WO2021130698A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230122858A1 (en) * 2021-10-14 2023-04-20 Compass Technology Company Limited Method of Embedding a Multi-Layer Lithium Ion Battery on a Flexible Printed Circuit Board

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5561004A (en) 1994-02-25 1996-10-01 Bates; John B. Packaging material for thin film lithium batteries
US20020071989A1 (en) 2000-12-08 2002-06-13 Verma Surrenda K. Packaging systems and methods for thin film solid state batteries
FR2897434B1 (fr) 2006-02-15 2014-07-11 Commissariat Energie Atomique Procede et dispositif de mesure de permeation
FR2982086B1 (fr) 2011-11-02 2013-11-22 Fabien Gaben Procede de fabrication de micro-batteries en couches minces a ions de lithium, et micro-batteries obtenues par ce procede
FR3080952B1 (fr) 2018-05-07 2020-07-17 I-Ten Electrolyte pour dispositifs electrochimiques en couches minces
JP7192866B2 (ja) * 2018-08-10 2022-12-20 株式会社村田製作所 固体電池
FR3091036B1 (fr) 2018-12-24 2024-04-19 I Ten Procede de fabrication de batteries, et batterie obtenue par ce procede

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021130698A1 (fr) 2021-07-01
US20230029225A1 (en) 2023-01-26
CN115191049A (zh) 2022-10-14
CA3162319A1 (fr) 2021-07-01
EP4082062A1 (fr) 2022-11-02
IL293784A (en) 2022-08-01
JP2023508066A (ja) 2023-02-28
TW202131538A (zh) 2021-08-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110809830B (zh) 用于电子元件和电池的封装系统
JP7524186B2 (ja) 電池製造の方法及び該方法によって得られる電池
KR20220120641A (ko) 신규한 캡슐화 시스템을 갖는 배터리, 특히 박막 배터리
US20230025375A1 (en) Battery having an encapsulation system that is reinforced at the contact members
US20230027695A1 (en) Electrochemical battery device with improved lifetime, comprising improved sealing and electrical conduction means, and manufacturing method thereof
US20230076672A1 (en) Method for producing lithium-ion batteries, in particular high-power batteries, and battery obtained by this method
US20230031684A1 (en) Battery-type electrochemical device comprising improved sealing means and method for manufacturing same
US20230198024A1 (en) Method for manufacturing a lithium-ion battery
US20230122314A1 (en) Lithium-ion battery and method for the manufacture thereof
US20220311055A1 (en) Lithium-ion battery and method for the manufacture thereof